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新疆布仑口-公格尔水电站引水隧洞高温试验段中,钻孔内监测到的最高温度达105℃,常年过水水温约为0℃~10℃,运行期过水瞬间支护结构内外壁将突然出现极大温度差,高温差对支护结构的受力状态将产生很大影响。本文通过室内衬砌结构模型试验,对衬砌模型进行运行期过水工况及检修期放空工况的模拟试验,研究了衬砌结构温度应力变化规律;并通过有限元方法对室内试验进行了数值模拟;分析了衬砌模型温度场变化特征,室内试验、数值试验同现场试验规律具有较好的一致性。分析了几个关键热力学参数对支护结构温度场、应力场变化规律的影响。本文主要研究成果如下: (1)针对2＃试验洞进行的模拟试验中不同材料衬砌结构在不同工况下的温度场、应力场变化规律进行了分析,证明了保温材料混凝土复合衬砌能够有效降低运行期过水导致的衬砌结构内外壁温差,从而减小温差引起的温度应力变化。 (2)分析了室内模型试验中热源温度对衬砌温度应力的影响,较高的热源温度引起较大的温度压应力。同一测量关键点处径向温度应力略小于环向温度应力,各测量点处环向温度应力值约比径向温度应力值大10％~60％。 (3)模型试验过程中,过水后温降幅度越大,温差引起的温度应力值变化幅度越大。过0℃水后,径向温度压应力降低了50％~80％,环向温度压应力降低了50％~120％;过10℃水后径,径向温度压应力降低了50％~75％,环向温度压应力降低了45％~120％,径向温度应力值减小幅度小于环向。同时试验中过水水温越低,引起的温降越大,应力变化值越大。模型内壁发生90℃温降时,各个位置环向应力值均由压应力转变为拉应力,最大拉应力值为0.9MPa。 (4)数值试验中,过水水温越低,过水后衬砌内壁关键点温度值越低,引起的温度应力值变化越大,过水后关键点温度相对于过水前最多降低了70％~75％左右。0℃过水条件下,内外壁温差每增加20℃,径向、环向应力变化值分别增加0.07MPa、1.66MPa。最大应力变化值为90℃热源条件下过0℃水,应力变化值为6.89MPa。由过水引起的环向温度应力变化值约为径向温度应力变化值的20倍左右。 (5)线膨胀系数等热力学参数的变化对温度场、应力场均产生较明显的影响。比热容的变化对温度场、应力场的影响较小。线膨胀系数、热传导系数越大,温度应力越大;对流换热系数越大,过水前后温度应力变化值越大。